3D打印技术在自制教具中的应用

杨荟民

摘   要：教师在自制教具的过程实际上就是对教学进行研究的过程，在这个过程中，教师利用3D One软件绘制及3D打印机打印的部件与常规的材料进行整合不仅提升了教师的思维能力、创造能力、教学能力等个人素质，丰富了教学经验，同时激发了学生的学习兴趣使课堂教学更高效且增加了教具资源。

关键字：3D打印；自制教具；实验；教学效果

3D打印技术是通过电脑用3D One软件绘制模型以数字模型文件为基础利用3D打印机运用材料逐层堆积来实现构造物体的技术。而物理就是“对物论理”，把实验作为基础研究物质结构和运动规律的应用科学。把3D打印技术融入物理实验教学的自制教具中不仅创新了教育教学而且增加了课程资源。

下面就以高中物理课本必修第一册第5章第4节“牛顿第三运动定律”讲作用力与反作用力的关系和选择性必修第一册第1章第2节“动量守恒定律及其应用”中讲到反冲运动时都可以用到的一个自制实验仪器取名“螺旋桨”（如图1所示）为例，实现利用3D打印技术绘制打印的部件融入物理自制教具中。

1  利用3D One软件绘制自制教具的部件模型

为了教具的整合，自制实验仪器“螺旋桨”其中有两个部件R300电机外壳和滑片支杆是利用3D打印机打印出来的，因此先要把这两个部件都先利用3D One软件绘制出来。

1.1  绘制R300电机的外壳

因为这个自制教具有用到R300微型直流电机，分三个步骤绘制一个R300电机的外壳，目的是能把电机固定在这个壳里。打开电脑，双击打开桌面3D One软件图标，新建文件，取名为“R300电机外壳”。外壳从底部到顶部共有两层，首先画底部第一层方形底座，其次画第二层圆套，最后把这两层组合起来即可。

（1）底座

{1}在坐标网格上面作图。在命令工具栏中选基本实体中的六面体命令，鼠标移动到工作区，单击左键选择六面体放置的位置设置其长、宽、高的数值，“动态拾取”坐标（0，100，0），然后点击确定，这样一个50×13×3 mm3的长方体就画好了。

{2}画底座左右两端的圆孔。在命令工具栏中选草图绘制中的圆形命令，设置圆心坐标（-20，100）直径为4 mm；在特征造型中选择拉伸命令，跳出一个小窗口，先选中圆形，在小窗口中布尔运算选择减运算，拉伸类型“1边”，点确定完成拉伸，就在底座的左端出现了一个小孔。同理：在六面体上坐标为（20，100）的位置绘制圆形的圆心，直径也为4 mm，拉伸，选中圆形，点减运算，点确定就把底座右端的圆孔画好了。

{3}画底座中段的凹槽。草图绘制中选矩形命令，在底座中段画一个长4 mm、宽3 mm的长方形；特征造型中选择拉伸命令，选中矩形，在小窗口的布尔运算选择减运算，拉伸类型“1边”，点确定就出现一个矩形的凹槽。

（2）圆套

确定之后，绘制第二层。在长方体底座上表面绘制一个固定直流电机的圆套。

{1}在命令工具栏中选基本实体中的圆柱体命令，把其中心坐标定在（0，0），按照R300电机的外观尺把圆柱的底面直径设置为28.5 mm、高为13 mm。

{2}选择特殊功能命令组下的抽壳命令，对圆柱体进行处理。选择抽壳命令，在弹出的对话框中，造型选择圆柱体，厚度选择-2，开放面为圆柱体的上表面，然后点击确定，完成抽壳。

{3}绘制圆套背面的三个圆孔。在草图绘制中选中圆形命令，令其圆心为（0，0），直径为6.5 mm；然后在特征造型中点击拉伸命令，选中圆形，在跳出的小窗口中布尔运算选择减运算，拉伸类型“1边”，然后点击确定，就把圆套背面中心稍大的孔画好了。同理再画这个孔上下的两个小孔：在坐标（-8.25，0）和（8.25，0）的位置画两个直径为1.7 mm的圆，在特征造型中选拉伸对圆做减运算，点确定就出现两个直径为1.7 mm的小孔。

{4}在圆套侧面挖一个矩形的凹槽与底座的矩形凹槽一样大。注意圆套侧面凹槽的位置应该在其背面三个孔共同所在的轴线上。在草图绘制中选中矩形命令，通过移动鼠标将坐标移到圆套的左侧在坐标点1（-1.5，2.5）、点2（1.5，6.5）画一个长4 mm、宽3 mm的矩形，通过特征造型选择拉伸命令，选中小矩形，选减运算，方向（1，0，0），使得左側开了一个长4 mm、宽3 mm的矩形凹槽。

（3）组合

R300电机外壳的两层都画好了，为了让两层形成一个整体，接下来要把它们组合在一起。

{1}在命令工具栏中选基本编辑点击移动选择动态移动让六面体和圆柱体移成相切，各自的凹槽重叠在一起。

{2}点击命令工具栏中的组合编辑命令，在弹出的对话框中布尔运算选择加运算，设置基体为六面体底座、合并体为挖空的圆柱体圆套、边界是圆柱体外边，点确定即完成利用3D One软件绘制R300电机的外壳。整体效果如图2。

1.2  绘制滑片支杆

滑片支杆是卡在铝合金横杆的中间，其作用是为了通过移动它找到横杆在水平面的平衡位置又可以把组装好的整个实验装置放在针形支架上使装置可以绕着支架转动起来。用3D One软件分三个步骤绘制一个滑片支杆，如图3所示，它也是有两层。双击打开桌面3D One软件图标，新建文件，取名为“滑片支杆”。

（1）下层大长方体

{1}先画一个长方体。在命令工具栏中选基本实体中的六面体命令，把鼠标移动到坐标网格上画一个长、宽、高尺寸为60×16×4 mm3的长方体，点击确定后这个长方体积木就画好了。

{2}再画滑片支杆放在针形支架上对应的小孔槽。在命令工具栏中选草图绘制中选圆形命令，通过转动视图导航器，翻转长方体选择其下表面为坐标面，在其中心位置画一个直径为1 mm的圆形。在特征造型中选择拉伸命令，选中圆形，在小窗口的布尔运算选择减运算，拉伸值填-5 mm表示向内抠了5 mm深，点确定后就在长方体下表面出现一个直径为1 mm、深5 mm的小孔槽。

（2）上层三个小长方体

{1}在命令工具栏中选草图绘制中的矩形命令，先把坐标网格选在刚画的长方体的上表面，画两个长、宽为60×3 mm2和一个长、宽为60×8 mm2的长方形。

{2}在命令工具栏中选基本编辑中的移动命令，把刚画的三个小长方形分别移动到大长方体上表面的规定位置。

{3}在特征造型中点击拉伸，分别拉伸：选中两个长、宽为60×3 mm2的长方形向上拉伸5 mm；选中长、宽为60×8 mm2稍大的长方形向上拉伸4 mm。

（3）组合

点击命令工具栏中的组合编辑命令选择加运算，设置基体为下层的大长方体、合并体为上层拉伸的三个小长方体、边界是长方体外边，点确定即完成利用3D One软件绘制的支架。

利用3D One软件来绘制滑片支杆是很科学的，因为在之前我还尝试了其他方式，效果都没有这个滑片支杆来得好，所以最终选择利用3D打印技术来实现。

2  3D打印绘制的部件与常规材料进行整合

2.1  利用3D打印机打印部件

想要利用3D打印机把绘制好的部件模型打印出来还需要做一些前期的准备处理工作。首先，在电脑桌面上双击打开已经用3D One软件绘制好的部件设计图，点击3D One软件界面的菜单栏把设计图另存为扩展名为STL的文件，这样做的目的是因为3D打印机和设计软件之间是以STL文件格式为协作标准的。接着，要将另存为STL文件的设计图进行切片处理，即把绘制好的模型分成厚度均匀的很多层，3D打印机的路径就是按这个分好的层一层一层地打印，如果我们想打印出来的实体精度高一些就把层的厚度分得小一些，所以分成的厚度决定了打印机打印的精度。双击打开切片软件Cura，打印机选用的是极光尔沃A6桌面级3D打印机这个型号及其耗材使用的是PLA，在打开的切片软件的小窗口中找到快速工具栏点击导入模型按钮导入刚另存为STL的文件进行切片的模型，设置好左侧参数栏的各种参数后点击切片按钮（如图4所示），这个切片软件就会自动计算数据，使3D打印机最终获得一个可以识别的G代码文件；导出G代码，即把导出切片好的模型文件保存到电脑或SD卡中，注意保存Gcode代码的文件名不可是中文可以是任意的字母或者数字。最后，联机打印时，将切片文件数据传输到打印机上，通過打印机上的触屏选择要打印的G代码文件。

从上面的表述可以看出，使用3D打印机时并不像使用普通的文本文件打印机那样只需要将文本文件双击打开点击打印就可以直接打印出想要的当前文本，而3D打印机在打印之前要做一系列复杂的准备处理工作后才能打印出需要的实体。

2.2  教具整合

根据自制教具“螺旋桨”的结构特点选择只需要能驱动小扇叶的R300微型直流电动机，同时想要把电机固定在事先购买的铝合金横杆的一端，但电机外观较光滑，没有办法直接固定在铝合金杆上，同时因为不想用热熔胶来固定，虽然热熔胶在使用的时候很方便但是不美观且不耐用，为了自制教具的美观耐用，最后还是决定用螺丝、螺母把电机固定在杆上，这时就利用3D打印机打印出来的外壳套在R300电机外，就可以把外壳底座左右两端的圆孔与在铝合金杆上开的孔对齐用螺丝、螺母固定在杆上。电机需要使用电池供电，就在杆的另一端拿实验室现成的电池盒也用螺丝、螺母同样固定在杆上，如图5所示。在杆的中段还有一个用3D打印机打印的滑片支杆卡在杆的凹槽中间，其作用是通过移动滑片支杆找到杆在水平面的平衡位置后可以把整个铝合金杆架在针尖支架上，还可以把电机和电池之间的连接线卡在铝合金杆的凹槽里。教具整合后的整体效果就是图1。

3  自制教具在中学物理中的作用

3.1  培养教师素质，丰富教学经验

自制教具的成功诞生，是教师智慧和汗水的结晶，即要求教师要有较高的知识水平，在经过好几年教学经验的积累对教材和课程标准及课程方案有较深刻的领会，又要具有很好的动手能力。自制教具的过程中，教师要先弄懂教材的内容，在剖析书本知识的时候出现一种顿悟可以改进或创新某种教具的大概样子，根据顿悟出的教具轮廓在设计、研究、实验的基础上去制作出教具的初样。经过多次的实际操作，改进操作过程中不方便、不合理的地方，这一过程需要教师反复观察和思考，直到出现最优方案，最后拿到教学中去用才能得心应手。教师用心去制作教具的过程，专业知识得到检验，思想和意志得到考验，能力得到锻炼，教师应有的素质得到了培养同时丰富了教学经验。

3.2  激发学生兴趣，提高课堂效率

物理学科是以实验作为基础研究物质结构和运动规律的学科，教师自制的教具能够给学生带来亲切的感觉还会让他们从心里佩服和喜欢自己的老师，从而充分调动学生的内驱力更有助于学生对实验现象的观察。教师在教学的过程中通过实验教具的展示、现象的分析，让学生将实际情境转化为物理基本模型，不仅强化建模的意识以及提升建模的能力，更重要的是在这个过程中学生全程积极参与从而激发了他们的学习兴趣；通过观察教具展示的现象而对流露出的问题的讨论与交流，培养学生具体问题具体分析的能力，培养实事求是的精神的同时提高了课堂的效率。教师通过演示自制教具能够把高中阶段抽象、单调、乏味的物理知识在学生的脑海里加深印象，有效地促进了教与学的和谐发展。

3.3  减少成本，扩展现有教具的种类和规模

自制教具一般都是教师利用身边现成的容易进行加工的材料加上使用具有科技含量的技术制作成教学上有用的教具，因此自制教具的成本一般都比较低，最大的优点就是减少了成本节约了资金。自制教具通常都是教师在备课阶段对课本内容进行处理时对产生的想法进行设计实施的体现，为的是使书本所涉及的概念和规律变得更直观，都是很有针对性的，教师在把教具做好后是能够保存在实验室并长期供大家使用的，这样就丰富了教学仪器和教具资源。

总之，利用3D技术绘制打印的部件融入自制教具中体现教师掌握了更有科技含量的技术使对教具部件形状大小的选取更自由。在自制教具的过程中也使教师的各种业务水平得到提高，自制教具从无到有、从有到优、从优到精的创新过程，通过言传身教影响着学生。《普通高中物理课堂标准解读》中提到“强调物理实验和科学实践”，为了加强对学生的物理学科核心素养的培养，本次修订加强了物理实验内容，可见实验在物理教学中的重要性，这就要求学校有大量的实验仪器来满足新课标的装备标准。教师把3D技术融入物理实验教学的自制教具中不仅丰富了教学资源而且创新了教育教学。